KR20110090718A - 엘이디 조명 방열판 및 이를 구비하는 엘이디 조명 - Google Patents

엘이디 조명 방열판 및 이를 구비하는 엘이디 조명 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엘이디 조명 방열판 및 이를 구비하는 엘이디 조명에 관한 것으로서, 본 발명에서는 열전도도가 10W/mK 이상인 물질로 형성되는 집열판과, 수지를 사출 성형하여 형성하며, 상기 집열판과 결합되는 방열핀부 및 방열핀부의 외면에 열전도도가 50 이상인 물질로 코팅되는 열전도 피막을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 방열판이 제공된다.

Description

엘이디 조명 방열판 및 이를 구비하는 엘이디 조명{HEAT SINK FOR LED LAMP AND LED LAMP THEREWITH}
본 발명은 엘이디 조명 방열판 및 이를 구비하는 엘이디 조명에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 사출 성형된 수지 표면에 열전도성이 10W/mK 이상인 물질이 피막 도포된 엘이디 조명 방열판 및 이를 구비하는 엘이디 조명에 관한 것이다.
조명을 위해 사용되는 일반적인 전구는 형광등, 백열등 또는 산업용으로 사용하는 메탈 네온등으로 대별되며, 이러한 조명등은 대부분이 유리관 안에 가스를 주입하여 사용하는 가스 방전관 타입이다.
상기한 일반적인 전구의 경우 유리관의 소손으로 인한 가스 유출시 대기 오염의 원인이 될 수 있으며, 휘도를 밝게 하고자 할 시에는 그에 따른 소비 전력이 상승하게 되고, 그에 알맞은 전력선 공사 등을 행해야 하므로 시설비용과 유지 관리 비용이 과도하게 소요되는 등의 문제점이 있었다.
한편 상기한 전구의 문제점을 해소할 대안으로 근자에는 소비전력이 낮은 엘이디(전계 발광 다이오드, 이하 'LED'라 함)를 이용한 조명등 개발이 제안되고 있다. 도 1은 종래 LED 조명의 분해 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래 LED 조명은 방열판(50) 전면에 LED PCB 기판 어세이(30)와, 확산 렌즈(20) 및 전면 커버(10)를 차례로 결합시키고, 배면에는 소켓 홀더(60)가 결합되는 구성을 갖는다.
이러한 종래 LED 조명에 사용되는 방열판(50)은 알루미늄을 다이캐스팅하여 제작한다. 도 2는 종래 LED 조명에 사용되는 방열판(50)의 정면도 및 A-A' 단면도를 도시한 것으로서, 단면도에 도시된 바와 같이 방열판(50)이 전체적으로 알루미늄으로 형성되어 있음을 알 수 있다.
종래 LED 조명용 방열판은 알루미늄 다이캐스팅(diecasting) 방법으로 주조한 알루미늄(액체 상태)을 금형틀에 높은 압력으로 밀어넣고 냉각시켜 고체화시켜 방열판을 형성한다. 그런데 종래 LED 조명은 일반 조명에는 없는 방열판을 구비하면서 방열판 전체가 알루미늄으로 형성되므로 무게가 무겁다는 단점이 있었다. 또한, 알루미늄 다이캐스팅법을 사용하므로 금형 노후도가 빨리 오고 끝티(burr)가 많이 발생하여 제품 완성도를 높이기 위해서 많은 후가공을 요하므로 생산성이 낮고 제조 원가가 높다는 문제점이 있었다. 추가적으로 알루미늄 다이캐스팅법을 이용하므로 방열핀의 개수, 크기 및 형상을 설계하는데 자유도가 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 LED 조명 방열판의 단점을 해결하고자 하는 것으로서, 무게가 가볍고, 후가공을 제거하여 생산성을 높여 제조 원가가 적게 들며, 방열핀의 설계 자유도가 뛰어난 LED 조명 방열판 및 이를 구비하는 LED 조명을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 상기 목적은 LED에서 발생되는 열을 방출하는 LED 조명 방열판에 있어서, 열전도도가 10W/mK 이상인 물질로 형성되는 집열판과, 수지를 사출 성형하여 형성하며, 상기 집열판과 결합되는 방열핀부 및 방열핀부의 외면에 열전도도가 10W/mK 이상인 물질로 코팅되는 열전도 피막을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 방열판과 이를 구비하는 LED 조명에 의해 달성 가능하다.
본 발명에 따른 LED 조명 방열판은 일부 구성 재질로 금속막이 코팅된 수지재를 사용하므로 무게가 가볍고, 후가공이 필요없기 때문에 생산성이 높아 제조 원가가 저렴하며, 방열핀의 설계 자유도가 뛰어나다는 효과가 있다.
이를 보다 상세히 설명하면, 본 발명에서는 집열판을 프레스 가공으로 생성하고 방열핀부를 인서트 사출 성형한 후 전체 표면에 금속 피막을 형성하거나 또는 집열판을 프레스 가공으로 생성하고 별도 사출 성형한 방열핀부에 금속 피막을 입힌 후 집열판과 결합시키는 방식으로 방열판을 형성하므로 생산성을 높일 수 있고 무게를 줄일 수 있는 이점이 있다.
또한 종래 LED 조명 방열판은 전체가 하나의 알루미늄 다이캐스팅으로 형성되므로 설계 자유도가 떨어지는 데 비하여 본 발명은 집열판, 방열핀부 및 금속막으로 구성되는 세 부분으로 형성되어 있어서 각 부분별로 특성에 맞는 LED 조명 방열판을 설계할 수 있는 이점이 있다.
본 발명에 따른 방열핀부는 사출 성형된 수지 표면에 열전도도가 10W/mK 이상인 물질을 도포하여 형성한다. 따라서 수지를 이용하여 방열핀부 형상을 자유롭게 설계할 수 있으므로 종래 다이캐스팅 방식으로 형성되는 방열핀 형상에 비하여 공기와의 접촉 면적을 늘릴 수 있는 형상 설계가 가능하게 되어 냉각 효과를 높일 수 있게 되었다. 또한 수지로 형성되는 방열핀부 형상 표면에 증착, 코팅 또는 도금으로 형성되는 열전도성 피막의 종류 및 두께를 적절히 선택함으로써 최적의 방열 효율을 발휘하는 LED 조명 방열판 및 이를 구비하는 LED 조명을 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 LED 조명의 분해 사시도.
도 2는 종래 LED 조명에 사용되는 방열판(50)의 정면도 및 A-A' 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예의 LED 조명의 분해 사시도.
도 4는 알루미늄 압축 성형으로 형성된 집열판의 단면도.
도 5는 집열판(51)에 결합된 방열핀부(61)의 단면도와 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예의 방열판의 사시도, 정면도, 단면도 및 일부 확대도.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 구성, 특징 및 장점을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명에 따른 일 실시예의 LED 조명의 분해 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 LED 조명은 집열판(51)이 결합 형성되는 방열판(50) 전면에 LED PCB 기판 어세이(30)와, 확산 렌즈(20) 및 전면 커버(10)를 차례로 결합시키고, 배면에는 소켓 홀더(60)가 결합되는 구성을 갖는다.
본 발명에 따른 LED 조명 방열판은 LED PCB 기판 어세이(30)와 결합되어 이로부터 발생되는 열을 집열하는 부품으로 열전도도가 10W/mK 이상인 물질로 형성되는 집열판과, 집열판과 인서트 사출 성형되거나 또는 별도의 공정으로 사출 성형되어 집열판과 결합되는 방열핀부 및 방열핀부의 전면에 열전도도가 10W/mK 이상인 물질로 얇게 코팅, 증착 또는 도금 등을 이용하여 피막되는 열전도 피막으로 구성된다.
집열판 형성
집열판은 LED PCB 기판 어세이(30)와 밀착 결합되어 LED PCB 기판 어레이(30)로부터 발생되는 열을 모으기 위한 부품이다. 집열판은 구리를 압축 성형(프레스 가공) 하여 형성하거나 또는 LED PCB 기판 어세이(30) 배면에 열전도성이 10W/mK 이상인 물질을 얇게 코팅, 증착 등의 방법을 이용하여 일체화되게 형성할 수 있다. LED PCB 기판 어세이(30) 배면에 집열판을 일체화되게 형성할 경우에는 LED PCB 기판 어세이(30) 배면과 집열판 사이에 열전도성 그리스를 개재시키는 것이 좋다. 이때 LED PCB 기판 어세이(30)이 배면이 절연될 필요가 있을 경우에는 절연성 열전도성 그리스를 사용하여야 한다.
집열판을 구리를 압축 성형하여 형성할 경우 두께는 열 저항을 없애기 위해 가능한 얇게 형성하는 것이 바람직하며 형상은 구애받지 않고 자유롭게 어떠한 형상으로도 제작 가능하다.
압축 성형이 생산성 및 가격 면에서 유리하지만 균일한 두께로 형성해야 하는 단점이 있다. 부분적으로 다른 두께를 갖는 집열판을 설계하고자 할 경우에는 단조 및 금속 분말 사출 등의 기타 공법을 사용하여 제작할 수 있다. 도 4는 구리를 압축 성형으로 형성한 집열판의 단면도이다. 집열판(51)은 아래에서 보았을 때 계단식으로 단차지는 형상을 갖는데 바닥면(31)에는 LED PCB 기판 어세이(30)가 안착되고, 중간면(21)에는 확산 렌즈(20)가 안착되며, 바깥 전면(11)에는 전면 커버(10)가 안착된다. 도 4에 제시된 집열판(51)의 형상은 예시에 불과한 것으로서 다양한 형태로 변경이 가능함은 물론이다.
집열판(51)은 열전도도 10W/mK 이상이어야 하고, 가공성이 뛰어난 재료라면 어떠한 재질로 형성하여도 무관하다. 열전도도가 10W/mK 이상인 물질로는 알루미늄, 구리, 금, 백금 또는 은 등이 있으며, 금속 외에도 세라믹, 박막 다이아몬드 등의 비금속 무기재료가 있다. 특히 다이아몬드 박막의 경우 열전도도가 4,000 W/mK 이므로 아주 얇은 두께로 피막을 형성하더라도 충분한 효과를 가져 온다.
방열핀부 형상 형성
집열판(51)을 사출기에 넣은 후 수지를 이용하여 인서트 사출을 통해 방열핀부를 형성하거나, 또는 수지를 이용하여 별도 사출을 통해 방열핀부 형상을 형성하는 두 가지 방법이 있다.
도 5는 집열판에 결합된 방열핀부(61)의 단면도와 사시도이다. 방열핀부(61) 제조시 사용되는 수지류로는 내열성 수지가 바람직하다. 방열핀부(61)를 형성하는 수지는 좋은 열전도성 보다는 고온(50℃ 이상)에서도 냉각핀 형상을 유지할 수 있도록 내열성 수지를 사용하는 것이 좋다. 또한 수지 외부 표면에 열도전막이 피막되어야 하므로 열전도막과 반응성이 좋은 내열성 수지를 사용하여야 한다. 내열성 수지로는 열경화성 수지와 열가소성 수지가 있다. 열경화성 수지로는 페놀 수지, 멜라민 수지, 실리콘 수지 및 요소 수지 등이 있으며, 열가소성 수지로는 폴리아미드, 폴리에스테르, 및 폴리카보네이트 등이 있다. ABS 수지의 경우 내열성은 기준에 미달하지만 열전도성 물질 피막을 형성하기 좋아 사용할 수 있었다.
열도전막 피막
인서트 사출을 통해 집열판(51)과 결합된 방열핀부(61) 형상을 형성하고, 표면에 열전도도가 10W/mK 이상인 열전도막을 피막한다. 피막 방법으로는 코팅, 증착, 도금 등을 이용할 수 있다. 열전도막으로 구리, 알루미늄, 백금, 금, 은 등과 같은 금속 재질을 사용할 경우 수지로 구성된 방열핀부(61)에 피막을 형성하기가 용이하지 않다. 따라서 무전해 니켈 도금을 이용한 도금 방식을 사용하였다. 무전해 니켈 도금을 이용한 도금 방식은 (1 단계) 수지 표면에 붙어 있는 이물질을 제거하고, (2 단계) 클롬산 등을 사용하여 수지 표면을 울퉁불퉁한 요철부를 형성하기 위해 에칭하고, (3 단계) 에칭 후 남아 있는 크롬화합물을 염산 등으로 제거한 후, (4 단계) 요철부에 무전해도금의 핵이 되는 촉매 금속(Pd-Sn)을 흡착시킨다. (5 단계) 주석염을 용해시켜 취하 환원 반응에 의한 반응 촉진제인 금속 팔라디움(palladium, 백금과 이리듐 등의 합금)을 형성시킨 후, (6 단계) 도금액 중에 환원제가 촉매 활성한 반응 촉진제(팔라디움) 표면이 산화될 때에 방출하는 전자에 의하여 니켈 이온이 환원되어 도금 피막이 형성되는 무전해 니켈 도금을 형성하고, (7 단계) 니켈 도금은 전기가 도통되므로 전기도금으로 구리 또는 알루미늄 도금(열전도막)을 형성하였다.
또 다른 방법으로는 수지를 이용하여 별도 사출을 통해 방열핀부(61) 형상을 형성한 후, 전술한 무전해 니켈 도금을 이용하여 방열핀부(61) 외부에 구리 또는 알루미늄 도금(열전도막)을 형성한다. 또는 수지로 형성된 방열핀부(61) 형상 표면에 증착, 코팅 방법을 사용하여 열전도막을 형성한다. 다음으로 열전도막이 피막된 방열핀부(61)와 집열판(51) 사이에 열도전성 그리스를 얇게 개재시킨 후 결합하면 본 발명에 따른 방열판(50)이 완성된다.
전술한 바와 같이 피막되는 10W/mK 이상인 열전도성 물질로는 알루미늄, 구리, 금, 백금 또는 은 등이 있으며, 금속 외에도 세라믹, 박막 다이아몬드 등의 비금속 무기재료가 있다. 피막의 두께는 80um 이하로 형성하는 것이 바람직하며, 가능한 집열판을 형성하는 물질과 동일한 물질로 형성하는 것이 좋다. 또는 방열판 형상 수지 표면에 형성되는 피막 물질은 집열판에도 피막시키는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예의 방열판의 사시도, 정면도, 단면도 및 일부 확대도이다. 도 6(a)는 방열판의 사시도이고, 도 6(b)는 방열판의 정면도이고, 도 6(c)는 도 6(b)의 B-B' 단면도이며, 도 6(d)는 도 6(c)의 원 내부(C)의 부분 확대도이다. 도 6(d)의 부분 확대도에 도시된 바와 같이 방열핀부는 수지(63) 외부에 열도전막(65)이 피막 형성되어 있음을 알 수 있다.
전술한 본 발명의 기술적 사상은 많은 열을 생성하는 열원을 구비하고 열원에서 만들어지는 열을 방열시킬 필요가 있는 다양한 제품에 적용할 수 있다. 대표적인 예로서, 컴퓨터의 메인 보드에 장착되는 중앙처리장치용 칩 방열기구, 비디오 연산 프로세서 칩 방열기구를 들 수 있다. 현재 사용되고 있는 중앙처리장치용 칩 방열 장치는 종래 LED 방열판과 유사하게 열도성이 좋은 한 종류의 금속으로 만들어 지는 것이 일반적이기 때문에 방열 면적을 늘리기 위해 다양한 형상으로 만들기 어렵다는 문제점을 가지고 있다.
본 발명의 기술적 사상을 이용하면 열원에서 발생되는 열을 집열하는 집열판을 형성하고, 집열판과 결합되는 방열핀부 형상을 수지를 이용하여 공기와의 접촉 면적을 늘릴 수 있는 형상으로 형성하고, 수지 표면에 열도도가 10 W/mK 이상인 물질로 피막시킴으로써 가볍고 냉각 효율이 좋은 방열기구를 형성할 수 있다.
상기에서 본 발명의 특정한 실시 예가 설명 및 도시되었지만, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시 예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명에 첨부된 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
10: 전면 커버 20: 확산 렌즈
30: LED PCB 어세이 50: 방열판
51: 집열판 60: 소켓 홀더
61: 방열핀부 63: 수지
65: 열도전막

Claims (10)

  1. LED PCB 어세이에서 발생되는 열을 방출하는 LED 조명 방열판에 있어서,
    상기 LED PCB 어세이로부터 발열되는 열을 집열하는 열전도도가 10W/mK 이상인 물질로 형성되는 집열판과,
    수지를 사출 성형하여 형성하며, 상기 집열판과 결합되는 방열핀부 및
    상기 방열핀부의 외면에 열전도도가 10W/mK 이상인 물질로 코팅되는 열전도 피막을 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 방열판.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 집열판과 상기 방열핀부의 결합면에는 열전도성 그리스가 도포되는 것을 특징으로 하는 LED 조명 방열판.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 LED PCB 어세이와 상기 집열판 사이에는 절연성이면서 열전도성 그리스가 도포되는 것을 특징으로 하는 LED 조명 방열판.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열전도도가 10W/mK 이상인 물질은 알루미늄, 구리, 금, 백금 및 은 중에서 선택된 어느 하나의 금속인 것을 특징으로 하는 LED 조명 방열판.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 열전도도가 10W/mK 이상인 물질은 세라믹 또는 다이아몬드의 비금속 무기 물질인 것을 특징으로 하는 LED 조명 방열판.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 수지는 50℃ 이상에서도 형상 변형이 발생하지 않는 내열성 수지인 것을 특징으로 하는 LED 조명 방열판.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 내열성 수지는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지인 것을 특징으로 하는 LED 조명 방열판.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 열경화성 수지는 페놀 수지, 멜라민 수지, 실리콘 수지 및 요소 수지 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 방열판.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 폴리아미드, 폴리에스테르, 및 폴리카보네이트 중에서 선택된 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 LED 조명 방열판.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중에서 선택된 어느 한의 항의 방열판을 구비하는 LED 조명.
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